設計模式的七大原則詳解
阿新 • • 發佈：2020-07-17
## 1 認識設計模式
### 1.1 什麼是設計模式
所謂設計模式，就是對經常出現的軟體設計問題的成熟解決方案。
很多人把設計模式想象成非常高深的概念，實際上設計模式僅僅是對特定問題的一種慣性思維。筆者見過一些學員喜歡抱著一本設計模式的書研究，以期成為一個“高手”，實際上設計模式的理解必須以足夠的程式碼積累量作為基礎，最好是經歷過某種痛苦，或者正在經歷一種苦痛，就會對設計模式有較深的感受。
### 1.2 設計模式的目的
編寫軟體的過程中，程式設計師面臨著來自耦合性、內聚性以及可維護性、可擴充套件性、重用性、靈活性等多方面的挑戰，設計模式是為了讓程式擁有更好的：
* 程式碼可重用性。相同功能的程式碼，不用多次編寫；
* 可讀性。便於其他程式設計師的閱讀和理解；
* 可擴充套件性。當需要增加新功能時，非常方便；
* 可靠性。當增加新的功能後，對原來的功能沒有影響；
* 使程式呈現高內聚、低耦合的特點。
### 1.3 什麼是設計模式的原則
設計模式原則，其實就是程式設計師在程式設計時，應當遵循的原則，也就是各種設計模式的基礎，即設計模式為什麼這樣設計的依據。
設計模式的七大原則有：
1. 單一職責原則
2. 介面隔離原則
3. 依賴倒置原則
4. 里氏替換原則
5. 開閉原則
6. 迪米特法則
7. 合成複用原則
## 2 單一職責原則
### 2.1 什麼是單一職責原則
對類來說，一個類應該只負責一項職責。如類A負責兩個不同職責：職責1，職責2，當職責1需求變更而改變類A時，可能造成職責2執行錯誤，所以需要將類A的粒度分解為A1，A2。
### 2.2 應用例項
方案一：
```java
/**
* 方式一的run方法中，違反了單一職責原則，
* 解決的方案是根據交通工具執行方法不同，分解成不同類即可
*/
public class SingleResponsebility1 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle vehicle = new Vehicle();
vehicle.run("汽車");
vehicle.run("摩托");
vehicle.run("飛機");
}
}
class Vehicle {
public void run(String vehicle) {
System.out.println(vehicle+"在公路上跑");
}
}
```
方案二：
```java
/**
* 方案二遵循單一職責原則
* 但是這樣做的改動很大，即將類分解，同時修改客戶端
* 改進：直接修改Vehicle類，改動的程式碼會比較少
*/
public class SingleResponsibility2 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle1 vehicle1 = new Vehicle1();
vehicle1.run("汽車");
Vehicle2 vehicle2 = new Vehicle2();
vehicle2.run("輪船");
Vehicle3 vehicle3 = new Vehicle3();
vehicle3.run("飛機");
}
}
class Vehicle1{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在地上跑");
}
}
class Vehicle2{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在水上跑");
}
}
class Vehicle3{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在天上跑");
}
}
```
方案三：
```java
/**
* 這種修改方法沒有對原來的類做大的修改，只是增加方法
* 這裡雖然沒有在類這個級別上遵循單一職責原則，但是在方法級別上，仍然遵守這個原則
*/
public class SingleResonsibility3 {
public static void main(String[] args) {
Vehicle4 vehicle4 = new Vehicle4();
vehicle4.run("汽車");
vehicle4.run2("輪船");
vehicle4.run3("飛機");
}
}
class Vehicle4{
public void run(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在地上跑");
}
public void run2(String vehicle){
System.out.println(vehicle+"在水上跑");
}
public void run3(String vehicle) {
System.out.println(vehicle + "在天上跑");
}
}
```
### 2.3 注意事項
- 降低類的複雜度，一個類只負責一項職責；
- 提高類的可讀性、可維護性；
- 降低變更引起的風險；
- 通常情況下，我們應當遵守單一職責原則，只有邏輯足夠簡單，才可以在程式碼級違反單一職責原則：只有類中方法數量足夠少，可以在方法級別儲存單一職責原則。
## 3 介面隔離原則
### 3.1 什麼是介面隔離原則
客戶端不應該依賴它不需要的介面，即一個類對另一個類的依賴應該建立在最小的介面上。
### 3.2 應用例項
如圖，類A通過介面Interface1依賴類B，類C通過介面Interface1依賴類D，如果介面Interface1對於類A和類C來說不是最小介面，那麼類B和類D必須去實現他們不需要的方法。
```java
public class Segregation1 {
}
//介面
interface Interface1 {
void operation1();
void operation2();
void operation3();
void operation4();
void operation5();
}
class B implements Interface1 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("B實現了operation1");
}
@Override
public void operation2() {
System.out.println("B實現了operation2");
}
@Override
public void operation3() {
System.out.println("B實現了operation3");
}
@Override
public void operation4() {
System.out.println("B實現了operation4");
}
@Override
public void operation5() {
System.out.println("B實現了operation5");
}
}
class D implements Interface1 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("D實現了operation1");
}
@Override
public void operation2() {
System.out.println("D實現了operation2");
}
@Override
public void operation3() {
System.out.println("D實現了operation3");
}
@Override
public void operation4() {
System.out.println("D實現了operation4");
}
@Override
public void operation5() {
System.out.println("D實現了operation5");
}
}
class A {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend2(Interface1 i) {
i.operation2();
}
public void depend3(Interface1 i) {
i.operation3();
}
}
class C {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend4(Interface1 i) {
i.operation4();
}
public void depend5(Interface1 i) {
i.operation5();
}
}
```
按隔離原則應當這樣處理：將介面Interface1拆分為獨立的幾個介面，類A和類C分別與他們需要的介面建立依賴關係。也就是採用介面隔離原則。
```java
public class Segregation2 {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
a.depend1(new B());
a.depend2(new B());
a.depend3(new B());
C c = new C();
c.depend1(new D());
c.depend4(new D());
c.depend5(new D());
}
}
//介面
interface Interface1 {
void operation1();
}
interface Interface2 {
void operation2();
void operation3();
}
interface Interface3 {
void operation4();
void operation5();
}
class B implements Interface1, Interface2 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("B實現了operation1");
}
@Override
public void operation2() {
System.out.println("B實現了operation2");
}
@Override
public void operation3() {
System.out.println("B實現了operation3");
}
}
class D implements Interface1, Interface3 {
@Override
public void operation1() {
System.out.println("D實現了operation1");
}
@Override
public void operation4() {
System.out.println("D實現了operation4");
}
@Override
public void operation5() {
System.out.println("D實現了operation5");
}
}
class A {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend2(Interface2 i) {
i.operation2();
}
public void depend3(Interface2 i) {
i.operation3();
}
}
class C {
public void depend1(Interface1 i) {
i.operation1();
}
public void depend4(Interface3 i) {
i.operation4();
}
public void depend5(Interface3 i) {
i.operation5();
}
}
```
## 4 依賴倒轉原則
### 4.1 什麼是依賴倒轉原則
依賴倒轉原則是指高層模組不應該依賴低層模組，二者都應該依賴其抽象；抽象不應該依賴細節，細節應該依賴抽象；依賴倒轉的中心思想是面向介面程式設計。
依賴倒轉原則是基於這樣的設計理念：相對於細節的多變性，抽象的東西要穩定的多。以抽象為基礎搭建的架構比以細節為基礎的架構要穩定的多。在java中，抽象指的是介面或者抽象類，細節就是具體的實現類。
使用介面或抽象類的目的是制定好規範，而不涉及任何具體的操作，把展現細節的任務交給他們的實現類去完成。
### 4.2 應用例項
請程式設計完成persion接收訊息的功能。
方案一：
```java
public class DependecyInversion {
public static void main(String[] args) {
Persion persion = new Persion();
persion.receive(new Email());
}
}
class Email {
public String getInfo() {
return "電子郵件：Hello World!!!";
}
}
class Persion {
public void receive(Email e) {
System.out.println(e.getInfo());
}
}
```
方案二：
```java
/**
* 如果我們獲取的物件是微信、簡訊等等，則新增類，同時Persion也要增加相應的接收方法
* 解決思路：引入一個抽象的介面IReceiver，表示接收者，這樣Persion類與介面IReceiver發生依賴
* 因為Email、WeChat等等屬於接收的範圍，它們各自實現IReceiver介面就可以，這樣我們就符合依賴倒轉原則
*/
public class DependecyInversion2 {
public static void main(String[] args) {
Persion2 persion2 = new Persion2();
persion2.receive(new Email2());
persion2.receive(new WeChat());
}
}
interface IReceiver {
public String getInfo();
}
class Email2 implements IReceiver {
@Override
public String getInfo() {
return "電子郵件：Hello World!";
}
}
class WeChat implements IReceiver {
@Override
public String getInfo() {
return "微信訊息：Hello weixin";
}
}
class Persion2 {
public void receive(IReceiver i) {
System.out.println(i.getInfo());
}
}
```
### 4.3 依賴傳遞的三種方式
介面傳遞、構造方法傳遞、setter方法傳遞。
```java
//第一種方式：介面傳遞
//開關的介面
interface IOpenAndClose {
public void opoen(ITV tv);//抽象方法，接收介面
}
interface ITV {//ITV介面
public void play();
}
//實現介面
class OpenAndColse implements IOpenAndClose {
@Override
public void opoen(ITV tv) {
tv.play();
}
}
```
```java
//方式二：構造方法傳遞
interface IOpenAndClose {
public void open();//抽象方法
}
interface ITV {//ITV介面
public void play();
}
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
public ITV tv;//成員
public OpenAndClose(ITV tv) {//構造方法
this.tv = tv;
}
@Override
public void open() {
this.tv.play();
}
}
```
```java
//方式三：setter方法傳遞
interface IOpenAndClose {
public void open();//抽象方法
}
interface ITV {//ITV介面
public void play();
}
class OpenAndClose implements IOpenAndClose {
private ITV tv;
public void setTv(ITV tv) {
this.tv = tv;
}
@Override
public void open() {
this.tv.play();
}
}
```
### 4.4 注意事項
底層模組儘量都要有抽象類或介面，或者兩者都有，程式穩定性更好。
變數的宣告型別儘量是抽象類或介面，這樣我們的變數引用和實際物件間，就存在一個緩衝層，利於程式擴充套件和優化。
繼承時要遵循里氏替換原則。
## 5 里氏替換原則
### 5.1 什麼是里氏替換原則
##### 關於繼承性的思考和說明
繼承包含這樣一層含義：父類中凡是已經實現好的方法，實際上是在設定規範和契約，雖然它不強制要求所有的子類必須遵循這些契約，但是如果子類對這些已經實現的方法任意修改，就會對整個繼承體系造成破壞。
繼承在給程式設計帶來便利的同時，也帶來了弊端。比如使用繼承會給程式帶來侵入性，程式的可移植性降低，增加物件間的耦合性，如果一個類被其他的類所繼承，則當這個類需要修改時，必須考慮到所有的子類，並且父類修改後，所有涉及到子類的功能都有可能產生故障。
所以，在程式設計中，如何正確的使用繼承？使用里氏替換原則。
##### 基本介紹
里氏替換原則是由麻省理工學院的一位姓裡的女士在1988年提出的。
如果對每個型別為T1的物件o1，都有型別為T2的物件o2，使得以T1定義的所有程式P在所有的物件o1都帶換成o2時，程式P的行為沒有發生變化，那麼型別T2是型別T1的子型別。換句話說，所有引用基類的地方必須能透明地使用其子類的物件。
在使用繼承時，遵循里氏替換原則，在子類中儘量不要重寫父類的方法。
里氏替換原則告訴我們，繼承實際上讓兩個類耦合性增強了，在適當情況下，可以通過聚合、組合、依賴來解決問題。
### 5.2 應用例項
一個程式引發的問題和思考。
```java
public class Liskow1 {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
B b = new B();
System.out.println("11-3=" + b.func1(11, 3));//這裡本意是求出11-3
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
}
}
class A {
// 重寫了A類的方法，可能是無意識的
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
class B extends A {
public int func1(int a, int b) {
return a + b;
}
public int func2(int a, int b) {
return func1(a, b) + 9;
}
}
```
我們發現原來執行正常的相減功能發生了錯誤，原因就是類B無意中重寫了父類的方法，造成原有功能出現錯誤。在實際程式設計中，我們常常會通過重寫父類的方法完成新的功能，這樣寫起來雖然簡單，但整個繼承體系的複用性會比較差，特別是執行多型比較頻繁的時候。
通用的做法是：原來的父類和子類都繼承一個更通俗的基類，原有的繼承關係去掉，採用依賴、聚合、組合等關係替代。
```java
public class Liskow {
public static void main(String[] args) {
A a = new A();
System.out.println("11-3=" + a.func1(11, 3));
B b = new B();
//因為B類不再繼承A類，因此呼叫者，不會再認為func1是求減法的。
//呼叫完成的功能就會很明確
System.out.println("11+3=" + b.func1(11, 3));
System.out.println("11+3+9=" + b.func2(11, 3));
//使用組合仍然可以使用到A類相關方法
System.out.println("11-3=" + b.func3(11, 3));
}
}
class Base {
//把更加基礎的方法和成員寫到Base類
}
class A extends Base {
// 重寫了A類的方法，可能是無意識的
public int func1(int num1, int num2) {
return num1 - num2;
}
}
class B extends Base {
//如果B需要使用A的方法，使用組合關係
private A a = new A();
public int func1(int a, int b) {
return a + b;
}
public int func2(int a, int b) {
return func1(a, b) + 9;
}
//如果我們仍然想使用A的方法
public int func3(int a, int b) {
return this.a.func1(a, b);
}
}
```
## 6 開閉原則
### 6.1 什麼是開閉原則
開閉原則是程式設計中最基礎、最重要的設計原則。
一個軟體實體如類、模組和函式應該對擴充套件開放（對提供方），對修改關閉（對適用方）。用抽象構建框架，用實現擴充套件細節。
當軟體需要變化時，儘量通過擴充套件軟體實體的行為來實現變化，而不是通過修改已有的程式碼來實現變化。
程式設計中遵循其他原則，以及使用設計模式的目的就是遵循開閉原則。
### 6.2 應用例項
看一段畫圖程式碼。
```java
public class Ocp {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
//這是一個用於繪圖的類
class GraphicEditor {
//接收Shape時物件，然後根據type，來繪製不同的圖形
public void drawShape(Shape s) {
if (s.m_type == 1) {
drawRectangle(s);
} else if (s.m_type == 2) {
drawCircle(s);
}
}
public void drawRectangle(Shape r) {
System.out.println("繪製矩形");
}
public void drawCircle(Shape r) {
System.out.println("繪製圓形");
}
}
//Shape類，基類
class Shape {
int m_type;
}
class Rectangle extends Shape {
Rectangle() {
super.m_type = 1;
}
}
class Circle extends Shape {
Circle() {
super.m_type = 2;
}
}
```
這段程式碼的優點是比較好理解，簡單易操作。
缺點是違反了設計模式的開閉原則，即當我們給類增加新功能的時候，儘量不修改程式碼，或者儘可能少修改程式碼。
比如我們這時要新增加一個圖形種類：三角形，我們需要修改的地方較多。
改進方案：把Shape類做成抽象類，並提供一個抽象的draw方法，讓子類去實現即可，這樣我們有新的圖形種類時，只需要讓新的圖形類繼承Shape，並實現draw方法即可，“使用方”的程式碼就不需要修改，滿足了開閉原則。
```java
public class Ocp {
public static void main(String[] args) {
GraphicEditor graphicEditor = new GraphicEditor();
graphicEditor.drawShape(new Rectangle());
graphicEditor.drawShape(new Circle());
}
}
//這是一個用於繪圖的類
class GraphicEditor {
//接收Shape時物件，然後根據type，來繪製不同的圖形
public void drawShape(Shape s) {
s.draw();
}
}
//Shape類，基類
abstract class Shape {
public abstract void draw();//抽象方法
}
class Rectangle extends Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("繪製矩形");
}
}
class Circle extends Shape {
@Override
public void draw() {
System.out.println("繪製圓形");
}
}
```
## 7 迪米特法則
### 7.1 什麼是迪米特法則
一個物件應該對其他物件保持最少的瞭解。
類與類關係越密切，耦合度越大。
迪米特法則又叫最少知道原則，即一個類對自己依賴的類知道的越少越好。也就是說，對於被依賴的類不管多麼複雜，都儘量將邏輯封裝在類的內部。對外除了提供 public方法，不對外洩露任何資訊。
迪米特法則還有個更簡單的定義：只與直接的朋友通訊。
**直接的朋友**：每個物件都會與其他物件有耦合關係，只要兩個物件之間有耦合關係，我們就說這兩個物件之間是朋友關係。耦合的方式很多，依賴，關聯，組合，聚合等。其中，我們稱出現成員變數，方法引數，方法返回值中的類為直接的朋友，而出現在區域性變數中的類不是直接的朋友。也就是說，陌生的類最好不要以區域性變數的形式出現在類的內部。
### 7.2 應用例項
程式設計實現以下功能：有一個學校，下屬有各個學院和總部，現要求打印出學校總部員工ID和學院員工的id。
```java
public class Demeter {
public static void main(String[] args) {
SchoolManager schoolManager = new SchoolManager();
schoolManager.printAllEmployee(new CollegeManager());
}
}
//學校總部員工
class Employee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
//學院員工
class CollegeEmployee {
private String id;
public String getId() {
return id;
}
public void setId(String id) {
this.id = id;
}
}
//管理學院員工的類
class CollegeManager {
//返回學院的所有員工
pub